Квантовая инженерия
Квантовая инженерия — это развитие технологий, основанных на законах квантовой механики. Квантовая инженерия использует квантовую механику в качестве инструментария для разработки квантовых технологий , таких как квантовые датчики или квантовые компьютеры .
Существует множество устройств, которые основаны на квантово-механических эффектах и произвели революцию в обществе благодаря медицине, оптической связи, высокоскоростному Интернету и высокопроизводительным вычислениям, и это лишь несколько примеров. Ожидается, что после технологических достижений, которые принесли нам лазеры , МРТ-аппараты и транзисторы , вторая волна квантовых технологий повлияет на общество аналогичным образом. Ожидается, что эти новые технологии будут использовать квантовую когерентность, опираясь на прогресс, достигнутый в прошлом веке в понимании и управлении системами атомного масштаба. Квантово-механические эффекты используются в качестве ресурса в новых технологиях с далеко идущими приложениями, включая квантовые датчики. [1] [2] и новые методы визуализации, [3] безопасная связь ( квантовый интернет ) [4] [5] [6] и квантовые вычисления. [7] [8] [9] [10] [11]
История
[ редактировать ]Область квантовых технологий была описана в книге Джерарда Дж. Милберна 1997 года . [12] за которым затем последовала статья Милберна и Джонатана П. Даулинга в 2003 году : [13] а также статья Дэвида Дойча 2003 года . [14]
Многие уже доступные устройства фундаментально полагаются на эффекты квантовой механики. К ним относятся лазерные системы, транзисторы и полупроводниковые устройства, а также другие устройства, такие как МРТ- сканеры. Великобритании Лаборатория оборонной науки и технологий (DSTL) сгруппировала эти устройства как «квант 1.0», чтобы отличить их от того, что она назвала «квантом 2.0», который она определила как класс устройств, которые активно создают, манипулируют и считывают квантовые состояния материю, используя эффекты суперпозиции и запутанности. [15]
Начиная с 2010 года, правительства многих стран создали программы по изучению квантовых технологий. [16] такие как Национальная программа квантовых технологий Великобритании, [17] который создал четыре квантовых «центра»: Центр квантовых технологий в Сингапуре и QuTech, голландский центр по разработке топологического квантового компьютера. [18] В 2016 году Европейский Союз представил Флагман квантовых технологий , [19] [20] 10-летний мегапроект стоимостью 1 миллиард евро , аналогичный по размеру предыдущим флагманским проектам европейского будущего и новых технологий . [21] [22] В декабре 2018 года Соединенные Штаты приняли Закон о Национальной квантовой инициативе , который предусматривает годовой бюджет в 1 миллиард долларов США на квантовые исследования. [23] Китай строит крупнейший в мире центр квантовых исследований с запланированными инвестициями в 76 миллиардов юаней (около 10 миллиардов евро). [24] [25] Правительство Индии также инвестировало 8000 крор рупий (около 1,02 миллиарда долларов США) в течение 5 лет в развитие квантовых технологий в рамках своей Национальной квантовой миссии. [26]
В частном секторе крупные компании вложили многочисленные инвестиции в квантовые технологии. Такие организации, как Google , D-wave Systems и Калифорнийский университет в Санта-Барбаре. [27] сформировали партнерства и инвестиции для развития квантовых технологий.
Приложения
[ редактировать ]Безопасная связь
[ редактировать ]Квантовая безопасная связь — это метод, который, как ожидается, станет «квантово-безопасным» с появлением квантовых вычислительных систем, которые смогут взломать существующие системы криптографии с использованием таких методов, как алгоритм Шора . К этим методам относится квантовое распределение ключей (QKD) — метод передачи информации с использованием запутанного света таким образом, чтобы любой перехват передачи был очевиден для пользователя. Другой метод — квантовый генератор случайных чисел, который способен генерировать действительно случайные числа, в отличие от неквантовых алгоритмов, которые просто имитируют случайность. [28]
Вычисление
[ редактировать ]Ожидается, что квантовые компьютеры найдут ряд важных применений в таких областях вычислений, как оптимизация и машинное обучение. Они, пожалуй, наиболее известны своей ожидаемой способностью реализовывать алгоритм Шора, который можно использовать для факторизации больших чисел и является важным процессом в обеспечении безопасности передачи данных.
Квантовые симуляторы — это типы квантовых компьютеров, предназначенные для моделирования реальной системы, например химического соединения. [29] [30] Квантовые симуляторы построить проще, чем квантовые компьютеры общего назначения, поскольку не требуется полный контроль над каждым компонентом. [29] Текущие квантовые симуляторы, находящиеся в стадии разработки, включают ультрахолодные атомы в оптических решетках, захваченные ионы, массивы сверхпроводящих кубитов и другие. [29]
Датчики
[ редактировать ]Ожидается, что квантовые датчики найдут множество применений в самых разных областях, включая системы позиционирования, коммуникационные технологии, датчики электрических и магнитных полей, гравиметрию. [31] а также геофизические области исследований, такие как гражданское строительство [32] и сейсмология.
Образовательные программы
[ редактировать ]Квантовая инженерия развивается в отдельную инженерную дисциплину. Квантовая индустрия нуждается в квантово-грамотной рабочей силе, а это на данный момент недостающий ресурс. В настоящее время учёные в области квантовых технологий в основном имеют физическое или инженерное образование и приобрели «навыки квантовой инженерии» на основе опыта. Опрос более двадцати компаний был направлен на то, чтобы понять, какие научные, технические и «мягкие» навыки требуются от новых сотрудников в квантовой индустрии. Результаты показывают, что компании часто ищут людей, знакомых с квантовыми технологиями и одновременно обладающих отличными практическими навыками лабораторной работы. [33]
Несколько технических университетов запустили образовательные программы в этой области. Например, ETH Zurich инициировал программу магистра наук в области квантовой инженерии, совместное предприятие факультета электротехники (D-ITET) и факультета физики (D-PHYS), а Университет Ватерлоо запустил интегрированные программы последипломного инженерного образования в рамках Институт квантовых вычислений . [34] [35] Подобные программы реализуются в Делфтском университете , Мюнхенском техническом университете , Массачусетском технологическом институте , CentraleSupélec и других технических университетах.
В сфере бакалавриата возможности специализации редки. Тем не менее, некоторые учреждения начали предлагать программы. Университет Шербрука предлагает степень бакалавра наук в области квантовой информации. [36] Университет Ватерлоо предлагает квантовую специализацию по программе электротехники, а Университет Нового Южного Уэльса предлагает степень бакалавра квантовой инженерии. [37]
Студенты обучаются обработке сигналов и информации, оптоэлектронике и фотонике, интегральным схемам (биполярные, КМОП ) и архитектурам электронного оборудования ( СБИС , FPGA , ASIC ). Кроме того, они знакомятся с новыми приложениями, такими как квантовое зондирование, квантовая связь, криптография и квантовая обработка информации. Они изучают принципы квантового моделирования и квантовых вычислений, а также знакомятся с различными платформами квантовой обработки, такими как захваченные ионы и сверхпроводящие схемы . Практические лабораторные проекты помогают студентам развивать технические навыки, необходимые для практической реализации квантовых устройств, закрепляя их образование в области квантовой науки и технологий.
См. также
[ редактировать ]- Квантовое превосходство
- Шумная квантовая эра промежуточного масштаба
- Хронология квантовых вычислений и связи
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Деген, CL; Рейнхард, Ф.; Каппелларо, П. (25 июля 2017 г.). «Квантовое зондирование» . Обзоры современной физики . 89 (3): 035002. arXiv : 1611.02427 . Бибкод : 2017RvMP...89c5002D . doi : 10.1103/RevModPhys.89.035002 . S2CID 2555443 .
- ^ Босс, Дж. М.; Куджиа, Канзас; Зопес, Дж.; Деген, КЛ (26 мая 2017 г.). «Квантовое зондирование с произвольным частотным разрешением» . Наука . 356 (6340): 837–840. arXiv : 1706.01754 . Бибкод : 2017Sci...356..837B . дои : 10.1126/science.aam7009 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 28546209 . S2CID 33700486 .
- ^ Моро, Поль-Антуан; Тонинелли, Эрмес; Грегори, Томас; Пэджетт, Майлз Дж. (2019). «Изображение с помощью квантовых состояний света» . Обзоры природы Физика . 1 (6): 367–380. arXiv : 1908.03034 . Бибкод : 2019НатРП...1..367М . дои : 10.1038/s42254-019-0056-0 . ISSN 2522-5820 . S2CID 189928693 .
- ^ Ляо, Шэн-Кай; Лю, Вэй-Юэ; Ли, Ян, Цзи-Ган; Шэнь, Цао, Юань; Ли, Фэн-Чжи (2017). Nature . 549 ( 7670 ): 43–47. arXiv : 1707.00542 . Бибкод : 2017Natur.549...43L . doi : 10.1038/nature23655. . ISSN 1476-4687 .
- ^ Инь, Цзюань; Ляо, Ян, Мэн; Чжан, Лян; Цай, Вэнь-Ци; Лин, Ронг (2020). Безопасная квантовая криптография на расстоянии более 1120 километров» . Nature . 582 7813): 501–505 Бибкод : 2020Natur.582..501Y . ( . « -у ISSN 1476-4687 .
- ^ Чен, Ю-Ао; Чэнь, Тэн-Юнь; Цай, Вэнь-Ци, Чжан, Цзюнь; Чэнь, Цзюань; Жэнь, Цзи-Ган; Шэн-Лонг (2021). и землей на расстоянии более . « » связи Интегрированная между Хан , километров сеть 4600 космосом квантовой -020-03093-8 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 33408416 .
- ^ Лэдд, Т.Д.; Железко Ф.; Лафламм, Р.; Накамура, Ю.; Монро, К.; О'Брайен, JL (2010). «Квантовые компьютеры» . Природа . 464 (7285): 45–53. arXiv : 1009.2267 . Бибкод : 2010Natur.464...45L . дои : 10.1038/nature08812 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 20203602 . S2CID 4367912 .
- ^ Аруте, Фрэнк; Арья, Кунал; Бэббуш, Райан; Бэкон, Дэйв; Бардин, Джозеф К.; Барендс, Рами; Бисвас, Рупак; Бойшо, Серхио; Брандао, Фернандо ГСЛ; Бьюэлл, Дэвид А.; Беркетт, Брайан (2019). «Квантовое превосходство с помощью программируемого сверхпроводникового процессора» . Природа . 574 (7779): 505–510. arXiv : 1910.11333 . Бибкод : 2019Natur.574..505A . дои : 10.1038/s41586-019-1666-5 . ISSN 1476-4687 . PMID 31645734 . S2CID 204836822 .
- ^ Георгеску, Юлия (2020). «Квантовым вычислениям на захваченных ионах исполняется 25 лет» . Обзоры природы Физика . 2 (6): 278. Бибкод : 2020НатРП...2..278Г . дои : 10.1038/s42254-020-0189-1 . ISSN 2522-5820 . S2CID 219505038 .
- ^ МакКуорри, Эван Р.; Саймон, Кристоф; Симмонс, Стефани; Мэн, Элисия (2020). «Новый коммерческий ландшафт квантовых вычислений» . Обзоры природы Физика . 2 (11): 596–598. arXiv : 2202.12733 . Бибкод : 2020НатРП...2..596М . дои : 10.1038/s42254-020-00247-5 . ISSN 2522-5820 . S2CID 225134962 .
- ^ Чжун, Хань-Сен; Дэн, Юй-Хао; Пэн, Ли-Чао; Цинь, Цзянь; У, Дин, Син; Пэн (2020 . Science . 370 ( 1460–1463 Bibcode . 0036- ) Ху : ... , 6523 : 370.1460Z ) 2020Sci . 8075. PMID 33273064. . S2CID 227254333 .
- ↑ Машины Шредингера , GJMilburn, WH Freeman & Co. (1997). Архивировано 30 августа 2007 г., в Wayback Machine.
- ^ Даулинг, JP; Милберн, Дж.Дж. (2003). «Квантовые технологии: Вторая квантовая революция». Фил. Пер. Р. Сок. А. 361 (1809): 1655–1674. arXiv : Quant-ph/0206091 . Бибкод : 2003RSPTA.361.1655D . дои : 10.1098/rsta.2003.1227 . ПМИД 12952679 .
- ^ « Физика, философия и квантовая технология », Д.Дойч в материалах шестой международной конференции по квантовой коммуникации, измерениям и вычислениям, Шапиро, Дж. Х. и Хирота, О., ред. (Ринтон Пресс, Принстон, Нью-Джерси, 2003 г.)
- ^ Дж. Причард и С. Тилль. «Пейзаж квантовых технологий Великобритании, 2014 г.»
- ^ Тью, Роб; Дженневейн, Томас; Сасаки, Масахидэ (2019). «Сосредоточьтесь на инициативах в области квантовой науки и технологий во всем мире». Квантовая наука и технология . 5 : 010201. дои : 10.1088/2058-9565/ab5992 .
- ^ Найт, Питер; Уолмсли, Ян (2019). «Национальная программа Великобритании по квантовым технологиям» . Квантовая наука и технология . 4 (4): 040502. Бибкод : 2019QS&T....4d0502K . дои : 10.1088/2058-9565/ab4346 . hdl : 10044/1/75584 .
- ↑ «Немного, лучше» The Economist, 18 июня 2015 г.
- ^ Ридель, Макс Ф.; Бинози, Даниэле; Тью, Роб; Каларко, Томмазо (2017). «Флагманская программа европейских квантовых технологий» . Квантовая наука и технология . 2 (3): 030501. Бибкод : 2017QS&T....2c0501R . дои : 10.1088/2058-9565/aa6aca .
- ^ Ридель, Макс; Ковач, Матьяш; Золлер, Питер; Млинек, Юрген; Каларко, Томмазо (2019). «Квантовая флагманская инициатива Европы» . Квантовая наука и технология . 4 (2): 020501. Бибкод : 2019QS&T....4b0501R . дои : 10.1088/2058-9565/ab042d .
- ^ «Европа потратит 1 миллиард евро, чтобы превратить квантовую физику в квантовую технологию — IEEE Spectrum» .
- ^ Гибни, Элизабет (2016). «Европа планирует гигантский проект квантовых технологий стоимостью в миллиард евро» . Природа . 532 (7600): 426. Бибкод : 2016Natur.532..426G . дои : 10.1038/nature.2016.19796 . ПМИД 27121819 .
- ^ Реймер, Майкл Г.; Монро, Кристофер (2019). «Национальная квантовая инициатива США» . Квантовая наука и технология . 4 (2): 020504. Бибкод : 2019QS&T....4b0504R . дои : 10.1088/2058-9565/ab0441 .
- ^ «Китай строит крупнейший в мире центр квантовых исследований» . 11 сентября 2017 года . Проверено 17 мая 2018 г.
- ^ Чжан, Цян; Сюй, Фейху; Ли, Ли; Лю, Най-Ле; Пан, Цзянь-Вэй (2019). «Квантовые информационные исследования в Китае» . Квантовая наука и технология . 4 (4): 040503. Бибкод : 2019QS&T....4d0503Z . дои : 10.1088/2058-9565/ab4bea .
- ^ Падма, ТВ (03.02.2020). «Индия делает большую ставку на квантовые технологии» . Природа . дои : 10.1038/d41586-020-00288-x . PMID 33526896 . S2CID 212809353 .
- ^ Человек, который построит неуловимый квантовый компьютер Google; Проводной, 09.05.14
- ^ С любовью, Дилан (31 июля 2017 г.). « Квантовые технологии — это будущее, и оно уже здесь — вот что это значит для вас» . Бизнес-инсайдер . Проверено 12 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «Квантовые технологии в двух словах» . Квантовые технологии . Проверено 27 ноября 2022 г.
- ^ Джонсон, Томи Х.; Кларк, Стивен Р.; Якш, Дитер (декабрь 2014 г.). «Что такое квантовый симулятор?» . Квантовые технологии EPJ . 1 (1): 1–12. arXiv : 1405.2831 . дои : 10.1140/epjqt10 . ISSN 2196-0763 .
- ^ Радемахер, Маркус; Миллен, Джеймс; Ли, Ин Лия (01 октября 2020 г.). «Квантовое зондирование с помощью наночастиц для гравиметрии: чем больше, тем лучше» . Передовые оптические технологии . 9 (5): 227–239. arXiv : 2005.14642 . Бибкод : 2020AdOT....9..227R . дои : 10.1515/aot-2020-0019 . ISSN 2192-8584 . S2CID 219124060 .
- ^ Стрэй, Бен; Лэмб, Эндрю; Кошик, Аиша; Воврош, Джейми; Роджерс, Энтони; Лебедка, Джонатан; Хаяти, Фарзад; Боддис, Дэниел; Стабрава, Артур; Ниггебаум, Александр; Ланглуа, Мехди; Лиен, Ю-Хун; Леллуш, Сэмюэл; Рошанманеш, Саназ; Ридли, Кевин; де Вильерс, Джеффри; Браун, Гарет; Кросс, Тревор; Таквелл, Джордж; Фарамарзи, Асаад; Метье, Николь; Бонгс, Кай; Холинский, Майкл (2020). «Квантовое зондирование для гравитационной картографии» . Природа . 602 (7898): 590–594. Бибкод : 2022Natur.602..590S . дои : 10.1038/s41586-021-04315-3 . ПМЦ 8866129 . ПМИД 35197616 .
- ^ Фокс, Майкл Ф.Дж.; Цвикль, Бенджамин М.; Левандовски, HJ (2020). «Подготовка к квантовой революции: какова роль высшего образования?» . Физический обзор Исследования в области физики . 16 (2): 020131. arXiv : 2006.16444 . Бибкод : 2020PRPER..16b0131F . doi : 10.1103/PhysRevPhysEducRes.16.020131 . ISSN 2469-9896 . S2CID 220266091 .
- ^ «Программы | Институт квантовых вычислений» . uwaterloo.ca . Проверено 28 ноября 2022 г.
- ^ «Магистр квантовой инженерии» . мастер-qe.ethz.ch . Проверено 28 ноября 2022 г.
- ^ «Бакалавр квантовой информатики» . США Шербрук.
- ^ «Бакалавр технических наук (с отличием) (квантовая инженерия)» . UNSW Сидней.